JPH079453B2 - Quantum magnetic flux parametron signal detection method - Google Patents

Quantum magnetic flux parametron signal detection method

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JPH079453B2
JPH079453B2 JP62190900A JP19090087A JPH079453B2 JP H079453 B2 JPH079453 B2 JP H079453B2 JP 62190900 A JP62190900 A JP 62190900A JP 19090087 A JP19090087 A JP 19090087A JP H079453 B2 JPH079453 B2 JP H079453B2
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quantum
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は極低温下で動作する超電導回路に係わり、特に
ジョセフソン素子を使ったパラメトロン型の超電導スイ
ッチング回路である量子磁束パラメトロンの信号検出方
法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a superconducting circuit that operates at cryogenic temperatures, and more particularly to a signal detection method for a quantum flux parametron, which is a parametron type superconducting switching circuit using Josephson elements. Regarding

(従来の技術) ジョセフソン効果を示す超電導素子(以下、ジョセフソ
ン素子と称す)を使ったパラメトロン型のスイッチング
回路である量子磁束パラメトロン(Quantum Flux Param
etron:以下QFPと略称する)は当技術分野では公知であ
り、昭和59年度理化学研究所シンポジウム予稿集第1−
3頁及び48−78頁、昭和60年度理化学研究所シンポジウ
ム予稿集第1−13頁、昭和61年度理化学研究所シンポジ
ウム予稿集第53−58頁に開示されている。QFPは量子化
された直流磁束を信号媒体として使う、新しい動作原理
に基づくスイッチング回路で、極めて小さな消費電力で
高速の動作を行うため、計算機素子として優れている。
また、微弱な信号を高い利得で増幅するため、磁気セン
サーの様なアナログ回路として優れた性質を持ってい
る。
(Prior Art) Quantum Flux Param, which is a parametron-type switching circuit that uses a superconducting element that exhibits the Josephson effect (hereinafter referred to as the Josephson element).
etron: hereinafter abbreviated as QFP) is known in the technical field, and the 1959 RIKEN Symposium Proceedings 1-
3 and 48-78, 1994 RIKEN Symposium Proceedings Proceedings 1-13, 1986 RIKEN Symposium Proceedings Proceedings 53-58. QFP is a switching circuit based on a new operating principle that uses quantized DC magnetic flux as a signal medium, and is excellent as a computer element because it operates at high speed with extremely small power consumption.
Also, since it weakly signals are amplified with high gain, it has excellent properties as an analog circuit such as a magnetic sensor.

QFPは極めて小さいエネルギーで動作するため、高い感
度を実現できるが、この反面として周囲の測定環境や雑
音の影響を受けやすくなる。従来の技術では、このQFP
の出力電流信号を電圧信号として検出するためには、ジ
ョセフソン素子の有する超電導状態から電圧状態へのラ
ッチング特性を利用する方法により行われていた。特願
昭60−241469号にこの検出方法の一例が示されている。
そこに開示される方法においては、2つのジョセフソン
素子を含む超電導ループに第1および第2の制御線が隣
接して配された検出回路が用いられている。この検出回
路にはそれのみでは2つのジョセフソン素子を電圧状態
としないある値のバイアス電流が加えられ、この状態で
第1の制御線にQFPの出力電流が流され、第2の制御線
にはスイープ電流が流される。2つのジョセフソン素子
が超電導状態から電圧状態に遷移した時のスイープ電流
値がサンプルホールドされ、これによってQFPの信号出
力が検出される。この型の検出回路は電圧状態に一旦遷
移した後は、回路を初期化(超電導状態に)するために
はバイアス電流を一旦遮断(零と)する操作が必要であ
る。
Since QFP operates with extremely low energy, it can achieve high sensitivity, but on the other hand, it is more susceptible to the surrounding measurement environment and noise. In the conventional technology, this QFP
In order to detect the output current signal of the above as a voltage signal, the method of utilizing the latching characteristic of the Josephson element from the superconducting state to the voltage state has been performed. Japanese Patent Application No. 60-241469 shows an example of this detection method.
The method disclosed therein uses a detection circuit in which a first and a second control line are arranged adjacent to each other in a superconducting loop including two Josephson elements. A bias current of a certain value that does not put the two Josephson devices into a voltage state by itself is applied to this detection circuit. In this state, the output current of the QFP is passed through the first control line and the second control line is fed. Sweep current is applied. The sweep current value when the two Josephson devices transition from the superconducting state to the voltage state is sampled and held, and the signal output of the QFP is detected. In this type of detection circuit, it is necessary to temporarily cut (zero) the bias current in order to initialize the circuit (to the superconducting state) after the voltage circuit once transits to the voltage state.

(発明が解決しようとする問題点) 従来技術の方法においては、QPFが励振される以前に、
信号検出回路に供給されるバイアス電流を零から有限値
に一過的に遷移させてやる必要がある。このバイアス電
流の遷移によって生じた誘導雑音および遷移直後で未だ
安定していないバイアス電流は励振開始時におけるセン
シティブな状態のQFPに悪影響を与え、誤動作を生じさ
せるという問題点があった。もっとも、バイアス電流の
変化を励振開始時よりも充分前に行えば誤動作の恐れは
なくなるが、この方法だと高速の信号検出が出来ないと
いう別の問題点が生じることになる。
(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional method, before the QPF is excited,
It is necessary to transiently transit the bias current supplied to the signal detection circuit from zero to a finite value. The induced noise generated by the transition of the bias current and the bias current which is not stable immediately after the transition adversely affect the QFP in the sensitive state at the start of the excitation and cause a malfunction. However, if the bias current is changed sufficiently before the start of excitation, there is no fear of malfunction, but this method causes another problem that high-speed signal detection cannot be performed.

(問題点を解決するための手段) 量子磁束パラメトロンの信号検出を、SQUID(Supercond
ucting Quantum Interfeence Device)により行なう量
子磁束パラメトロンの信号検出方法であって、前記量子
磁束パラメトロンが非励振状態に有る時には、SQUIDへ
のバイアス電流を零から有限値には遷移せず、具体的に
は、(1)前記SQUIDに常時バイアス電流を供給する
か、(2)量子磁束パラメトロンが励振状態に至った後
に、SQUIDへのバイアス電流の供給を開始し、(1)の
場合は量子磁束パラメトロンが非励振状態にある時の前
記SQUIDの第1の出力信号値を測定し、量子磁束パラメ
トロンが前記非励振状態の直後の励振状態にある時のSQ
UIDの第2の出力信号値を測定し、第1の出力信号値と
第2の出力信号値との差を求め、この差により量子磁束
パラメトロンの信号検出を行ない、(2)の場合は、量
子磁束パラメトロンが励振状態にあり、SQUIDへのバイ
アス電流が供給されている時のSQUIDの第1の出力信号
値を測定し、量子磁束パラメトロンが前記励振状態に隣
接する非励振状態にあり、SQUIDへのバイアス電流が以
前として供給されている時のSQUIDの第2の出力信号値
を測定し、第1の出力信号値と前記第2の出力信号値と
の差を求め、この差により前記量子磁束パラメトロンの
信号検出を行なうことにより上述した問題を解決するこ
とができる。
(Means for solving the problem) Signal detection of the quantum magnetic flux parametron is performed by SQUID (Supercond
ucting Quantum Interfeence Device) is a signal detection method of the quantum magnetic flux parametron, when the quantum magnetic flux parametron is in a non-excited state, the bias current to the SQUID does not transit from zero to a finite value, specifically, , (1) The bias current is always supplied to the SQUID, or (2) the supply of the bias current to the SQUID is started after the quantum flux parametron reaches an excited state, and in the case of (1), the quantum flux parametron is The first output signal value of the SQUID in the non-excited state is measured, and the SQ when the quantum flux parametron is in the excited state immediately after the non-excited state
The second output signal value of the UID is measured, the difference between the first output signal value and the second output signal value is obtained, and the signal of the quantum magnetic flux parametron is detected by this difference. In the case of (2), When the quantum flux parametron is in the excited state and the bias current to the SQUID is supplied, the first output signal value of the SQUID is measured, and the quantum flux parametron is in the non-excited state adjacent to the excited state. The second output signal value of the SQUID is measured when the bias current to the SQUID is still supplied, and the difference between the first output signal value and the second output signal value is obtained. The above-mentioned problems can be solved by performing the signal detection of the magnetic flux parametron.

SQUIDとは、極低温状態で微弱な磁束、または電流を測
る手段として既に使用されている超電導デバイスであ
り、このSQUIDを使う諸々の技術は例えば、電気学会編
「ジョセフソン効果《基礎と応用》」、昭和53年5月コ
ロナ社に詳細に開示されている。従来、SQUIDは量子磁
束(2.07×10-15Wb)の1000分の1程度の極めて微弱な
磁束を測定するのに使われている。SQUIDには直流電源
で駆動されるdc−SQUIDと交流電源で駆動されるrf−SQU
IDの2種類がある。
SQUID is a superconducting device that is already used as a means for measuring weak magnetic flux or current at cryogenic temperature. Various technologies using this SQUID are described in, for example, the Institute of Electrical Engineers, "Josephson Effect 《Basic and Application》. , May 1978, disclosed in detail to Corona. Conventionally, SQUID is used to measure extremely weak magnetic flux, which is about 1/1000 of quantum magnetic flux (2.07 × 10 -15 Wb). SQUID includes DC-SQUID driven by DC power supply and rf-SQU driven by AC power supply.
There are two types of ID.

(作 用) dc−SQUIDにはそれのみでこのSQUIDを電圧状態とする直
流バイアス電流が加えられ、従来法の様な超電導−電圧
状態遷移とは異なり、有限の値の電圧値がQFPからの電
流信号によって変化することにより信号検出が行われ
る。
(Operation) A DC bias current that makes this SQUID a voltage state is applied to the dc-SQUID by itself, and unlike the superconducting-voltage state transition as in the conventional method, a finite voltage value is output from the QFP. Signal detection is performed by changing the current signal.

また、rf−SQUIDは交流電源で駆動され、rf−SQUIDとト
ランス結合するLC共振回路に発生する電圧振幅が、QFP
からの電流信号によって変化することにより信号検出が
行われる。
The rf-SQUID is driven by an AC power supply, and the voltage amplitude generated in the LC resonant circuit that is transformer-coupled to the rf-SQUID is
Signal detection is performed by changing with the current signal from.

rf−SQUIDは交流電圧で駆動されるが、一般にその駆動
周波数は入力信号の周波数範囲より例えば2桁程度高
く、しかも単一の周波数スペクトルをもつ正弦波である
ためこの駆動電源に起因する雑音はフィルタ等で簡単に
除去できる。
The rf-SQUID is driven by an AC voltage. Generally, the drive frequency is higher than the frequency range of the input signal by, for example, about two orders of magnitude, and since it is a sine wave with a single frequency spectrum, the noise caused by this drive power source is It can be easily removed with a filter.

本発明において用いられるdc−SQUIDとrf−SQUIDはとも
に超電導状態から電圧状態へのラッチング特性を使用す
ることはなく、QFPからの信号が加わる以前にバイアス
電流を零から有限値に一過的に遷移させることを必要と
せず、このためQFPが誤動作を生じる原因を取り除くこ
とができる。
Both dc-SQUID and rf-SQUID used in the present invention do not use the latching characteristic from the superconducting state to the voltage state, and the bias current is transiently changed from zero to a finite value before the signal from the QFP is applied. There is no need for transitions, thus eliminating the cause of QFP malfunction.

SQUIDの測定分解能は測定周波数範囲と密接な関係にあ
り、測定周波数範囲を広げると測定分解能を上げられな
い欠点が在った。一方、QFPは、微弱な入力磁束を増幅
し、量子磁束の1/4程度の比較的大きな磁束を出力する
素子である。従って、QFPの信号検出にSQUIDは高い測定
分解能を必要とせず、広い周波数範囲を測定できる。こ
の意味で、SQUIDはQFPの測定に適合する。
The measurement resolution of SQUID is closely related to the measurement frequency range, and there is a drawback that the measurement resolution cannot be increased when the measurement frequency range is widened. On the other hand, the QFP is an element that amplifies a weak input magnetic flux and outputs a relatively large magnetic flux of about 1/4 of the quantum magnetic flux. Therefore, SQUID does not need high measurement resolution for QFP signal detection and can measure a wide frequency range. In this sense, SQUID is suitable for QFP measurement.

本発明においては、SQUIDによって発生される有限電圧
値の値の変化により、QFPの電流信号を検出する様にし
ており、そのSQUIDの出力電圧にオフセットが含まれ
る。このオフセット信号を補正して真の信号を取り出す
ことは従来のSQUID技術では難しかった。本発明ではQFP
と組み合わされるためこのオフセット信号除去も容易に
なる。即ち、QFPの出力信号を測定する際に、QFPを励振
してない場合のSQUIDの出力信号を基準に、励振した場
合の出力信号を測るオフセット信号を測ればオフセット
を容易に補正することができる。
In the present invention, the current signal of the QFP is detected by the change in the finite voltage value generated by the SQUID, and the output voltage of the SQUID includes the offset. It was difficult for the conventional SQUID technology to correct this offset signal and extract the true signal. In the present invention, QFP
This offset signal can be easily removed because it is combined with. That is, when measuring the output signal of the QFP, the output signal of the SQUID when the QFP is not excited is used as a reference, and the output signal when the QFP is excited is measured. .

なお、従来から開示された技術には、SQUIDをQFPの応用
する技術は開示されていない。
Note that the technology disclosed heretofore does not disclose the technology in which SQUID is applied to QFP.

(実施例) 以下、本発明を実施例を使って説明する。第1図は、本
発明によるQFPの出力検出法の第1の実施例である。QFP
は、第1のジョセフソン素子1と第1の励振インダクタ
3及び第2のジョセフソン素子2と第2の励振インダク
タ4から成る回路対を接続して構成された超電導ループ
5から成る。超電導5ループには入力線7と負荷インダ
クト8、8′が接続されている。負荷インダクタに流れ
る電流を検出するのであるが、検出回路と負荷インダク
タの結合が強いと検出回路の影響がQFPに現る。このた
め、結合を加減する目的で負荷インダクタを分け、負荷
インダクタの一部8′に検出回路が結合する構成として
いる。又、超電導ループ5の近傍には励振線6が配置さ
れ、励振線6は第1、第2の励振インダクタ3、4と磁
気的に結合している。励振線6には励振電流源9から励
振電流が供給される。以下に、QFPの回路動作を説明す
る。簡単のため、回路動作は電流を使って説明する。先
ず、励振電流を印加しない状態で微弱な入力電流(入力
磁束)を入力線7を介して直接超電導ループ5に注入す
る。この後、励振線6に励振電流を印加すると、負荷イ
ンダクタ8に入力電流の方向に対応して増幅された出力
電流が流れる。この出力電流を測定する為にdc−SQUID
を使う。dc−SQUID10は2個のジョセフソン素子11、12
とインダクタ15、16更にQFPの負荷インダタ8′に磁気
的に結合しているインダタ13、14で超電導ループを形成
している。このdc−SQUID10は電流源17よりバイアス電
流IBが供給される。dc−SQUIDの電圧は出力配線18を介
して外部に出力される。次に、電流検出回路であるdc−
SQUIDの動作を説明する。dc−SQUIDを使った磁束の検出
方法は従来技術では公知であり、例えばJ.Clark“Advan
cesin SQUID Magnetometers"IEEE Trans.Electron Devi
ce Vol.ED−27、No.10,pp.1896−1908,Oct.1980に開示
されている。dc−SQUID10のジョセフソン素子は低い接
合容量素子であるか、接合に並列に抵抗を接続した構造
で、マッカンバー定数が1より小さいものである。この
時のジョセフソン接合の電圧・電流特性にはヒステリシ
スが無い。この素子を使ったdc−SQUIDの電圧・電流特
性を第2図に示す。即ち、電圧・電流特性はヒステリシ
スの無いもので、このdc−SQUIDに鎖交する磁束により
最大超電導電流(臨海電流値)が変化する。例えば第2
図で、鎖交する磁束が零の場合は特性(1)であり、零
でない場合は特性(2)である。バイアス電流がIBの場
合、dc−SQUIDの出力電圧は第2図より、各々V1、V2
なる。従って、dc−SQUIDの出力電圧を観測すればQFPの
出力電流を検出できることは明らかである。この構成で
は、dc−SQUIDを駆動するのに直流電源しか使っていな
いので、検出回路を駆動するために電源からはいる誘導
雑音は極めて小さい。また、dc−SQUIDは直流電源で駆
動されるため検出動作を速くできる。
(Examples) Hereinafter, the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a first embodiment of a QFP output detection method according to the present invention. QFP
Consists of a superconducting loop 5 formed by connecting a circuit pair consisting of a first Josephson element 1, a first excitation inductor 3 and a second Josephson element 2, a second excitation inductor 4. An input line 7 and load inductors 8 and 8'are connected to the superconducting loop 5. The current flowing in the load inductor is detected, but if the detection circuit and load inductor are strongly coupled, the effect of the detection circuit will appear in QFP. Therefore, the load inductor is divided for the purpose of adjusting the coupling, and the detection circuit is coupled to a part 8'of the load inductor. An excitation line 6 is arranged near the superconducting loop 5, and the excitation line 6 is magnetically coupled to the first and second excitation inductors 3 and 4. An excitation current is supplied to the excitation line 6 from an excitation current source 9. The circuit operation of the QFP will be described below. For simplicity, circuit operation will be described using current. First, a weak input current (input magnetic flux) is directly injected into the superconducting loop 5 via the input line 7 without applying the excitation current. After that, when an exciting current is applied to the exciting wire 6, an output current amplified corresponding to the direction of the input current flows through the load inductor 8. To measure this output current, dc-SQUID
use. The dc-SQUID10 consists of two Josephson elements 11 and 12
The inductors 15 and 16 and the inductors 13 and 14 magnetically coupled to the load inductor 8'of the QFP form a superconducting loop. The dc-SQUID10 the bias current I B from the current source 17 is supplied. The voltage of dc-SQUID is output to the outside via the output wiring 18. Next, the current detection circuit dc-
The operation of SQUID will be described. Magnetic flux detection methods using dc-SQUID are known in the prior art, for example, J. Clark “Advan.
cesin SQUID Magnetometers "IEEE Trans.Electron Devi
ce Vol. ED-27, No. 10, pp. 1896-1908, Oct. 1980. The Josephson element of the dc-SQUID10 is a low junction capacitance element, or has a structure in which a resistor is connected in parallel to the junction and has a McCumber constant smaller than 1. There is no hysteresis in the voltage-current characteristics of the Josephson junction at this time. Figure 2 shows the voltage-current characteristics of a dc-SQUID using this device. That is, the voltage / current characteristics have no hysteresis, and the maximum superconducting current (critical current value) changes due to the magnetic flux interlinking with this dc-SQUID. For example, second
In the figure, the characteristic (1) is obtained when the interlinking magnetic flux is zero, and the characteristic (2) is obtained when it is not zero. When the bias current is I B , the output voltage of the dc-SQUID is V 1 and V 2 from FIG. 2, respectively. Therefore, it is clear that the output current of the QFP can be detected by observing the output voltage of the dc-SQUID. In this configuration, since only the DC power supply is used to drive the dc-SQUID, the induced noise from the power supply for driving the detection circuit is extremely small. Further, since the dc-SQUID is driven by a DC power supply, the detection operation can be speeded up.

dc−SQUIDの出力信号には直流オフセットが含まれてい
る。これは、dc−SQUIDの動作原理から、入力信号が零
の時dc−SQUIDの臨界電流が零にならないためである。
従来、このオフセット信号を検出するには、入力信号を
遮断して入力信号が零の状態を作り出し、その時の出力
信号を測定する操作を必要としていた。また、検出した
オフセット信号は極めて微量な信号であるため外部回路
の影響を受けやすく、これが測定ではドリフトが大きい
現象として現れる。従来から開示されているSQUID技術
では直流オフセットの補正は極めて厄介なものとなって
いた。第1図に示す本発明の実施例では、SQUIDの直流
オフセットの補正をQFPの励振動作を利用する。第3図
はQFPの信号をdc−SQUIDで測定する時の第1の方法によ
るタイムチャートを示している。QFPはBに示され励振
信号で励振される。励振信号に対応して、QFPはAまた
はA′の信号を出力する。ここで、Aは入力信号が正、
A′は入力信号が負の場合である。このQFPの出力信号
に応じてSQUIDはD、D′に示す信号を出力する。ここ
で、QFPが励振されていない場合例えば時刻Taでは、QFP
の出力零であるから、dc−SQUIDの入力信号は零であ
る。従って、この時刻Taのdc−SQUIDの出力は直流オフ
セット信号である。QFPが励振された場合は、QFPの出力
信号に応じたdc−SQUIDはD、D′に示す信号を出力す
る。ここで、Dは入力信号が正、D′は入力信号が負の
場合であるとする。QFPが励振された場合の出力信号
は、dc−SQUIDの直流オフセットを基準に例えば時刻Tb
でf、f′を測定すれば良い。以上説明したごとく、第
1図の実施例では、QFPの非励振時にdc−SQUIDの直流オ
フセットを校正し、その値を基準にQFPの出力信号をdc
−SQUIDで測定するものである。従って、従来から厄介
とされたdc−SQUIDの直流オフセットを測定毎に校正す
る為、ドリフトによる測定精度の低下を防ぐと共に、従
来は煩雑な操作を必要とした直流オフセット校正を回避
できる。なお、この直流オフセット除去法を実施するた
めの回路が第8図に示されるとともにその動作が後述さ
れる。
The DC offset is included in the output signal of the dc-SQUID. This is because, from the operating principle of dc-SQUID, the critical current of dc-SQUID does not become zero when the input signal is zero.
Conventionally, in order to detect this offset signal, an operation of interrupting the input signal to create a state where the input signal is zero and measuring the output signal at that time has been required. Further, since the detected offset signal is an extremely small amount of signal, it is easily affected by an external circuit, and this appears as a phenomenon in which drift is large in measurement. With the SQUID technology disclosed in the past, correction of DC offset was extremely troublesome. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the correction of the DC offset of the SQUID uses the excitation operation of the QFP. FIG. 3 shows a time chart according to the first method when the QFP signal is measured by dc-SQUID. The QFP is shown at B and is excited by the excitation signal. In response to the excitation signal, QFP outputs A or A'signal. Where A is the positive input signal,
A'is when the input signal is negative. SQUID outputs signals D and D'in response to the output signal of this QFP. Here, when QFP is not excited, for example, at time Ta, QFP
, The input signal of the dc-SQUID is zero. Therefore, the output of dc-SQUID at this time Ta is a DC offset signal. When the QFP is excited, the dc-SQUID corresponding to the output signal of the QFP outputs the signals D and D '. Here, it is assumed that D is a positive input signal and D'is a negative input signal. The output signal when QFP is excited is, for example, time Tb based on the DC offset of dc-SQUID.
Then, f and f'can be measured. As described above, in the embodiment of FIG. 1, the DC offset of the dc-SQUID is calibrated when the QFP is not excited, and the output signal of the QFP is dc based on that value.
-Measure with SQUID. Therefore, since the DC offset of the dc-SQUID, which has conventionally been troublesome, is calibrated for each measurement, it is possible to prevent a decrease in measurement accuracy due to drift and to avoid the DC offset calibration that conventionally requires a complicated operation. A circuit for implementing this DC offset removal method is shown in FIG. 8 and its operation will be described later.

一般に、第1図の回路構成で、dc−SQUIDに流すバイア
ス電流IBの発する磁束がQFPに影響を及ぼす。この場
合、dc−SQUID10のインダクタ13、14の発生する磁束を
同じにしておけば、各インダクタの発生する磁束が互い
に打ち消され、結果的にはdc−SQUIDの影響はQFPの動作
に影響しない。例えば、dc−SQUID10の構造を対称に
し、ジョセフソン素子11、12の臨界電流を同じにし、イ
ンダクタ13、14の値、インダクタ15、16の値を同じにす
れば目的とする回路を構成できることは明らかである。
In general, the circuit configuration of FIG. 1, the magnetic flux generated by the bias current I B flowing through the dc-SQUID affects the QFP. In this case, if the magnetic fluxes generated by the inductors 13 and 14 of the dc-SQUID 10 are set to be the same, the magnetic fluxes generated by the inductors cancel each other out, and as a result, the influence of the dc-SQUID does not affect the operation of the QFP. For example, if the structure of the dc-SQUID 10 is made symmetrical, the critical currents of the Josephson elements 11 and 12 are made the same, and the values of the inductors 13 and 14 and the values of the inductors 15 and 16 are made the same, the target circuit can be constructed. it is obvious.

第4図は、第1図の回路構成でdc−SQUIDのQFPへの影響
をさらに減少させる補助的方法を示している。この回路
構成では、負荷インダクタ8に磁気結合をする補正イン
ダクタ21、補正電流源22を介して、補正磁束を印加する
方法を使っている。
FIG. 4 shows an auxiliary method for further reducing the influence of dc-SQUID on QFP in the circuit configuration of FIG. In this circuit configuration, a method of applying a correction magnetic flux via the correction inductor 21 and the correction current source 22 which are magnetically coupled to the load inductor 8 is used.

第5図は、第1図の回路構成ではdc−SQUIDのQFPへの影
響を減少させる更に別の補助的方法を示している。この
方法では、補正電流源22からの補正電流を直接QFPに注
入する構成である。
FIG. 5 shows another auxiliary method for reducing the influence of dc-SQUID on QFP in the circuit configuration of FIG. In this method, the correction current from the correction current source 22 is directly injected into the QFP.

第4図、第5図ではdc−SQUIDの電源電流は直流である
から、第4図、第5図いずれも補正電流は直流電流で良
く、このため補正は高い精度で行える。
Since the power supply current of the dc-SQUID is DC in FIGS. 4 and 5, the correction current may be DC in both FIGS. 4 and 5, and therefore the correction can be performed with high accuracy.

第6図は第1図の回路構成でdc−SQUIDの影響を少なく
する第2の方法における信号のタイムチャートである。
QFPの励振状態は励振初期の入力信号に依存して決ま
る。従って、QFPの励振を開始する時点でdc−SQUID10の
バイアス電流を遮断しておけば、dc−SQUIDがQFPに与え
る影響を実際上排除できる。第6図のタイムチャートで
はQFPは時刻T1からT3までの、Bに示される励振信号
(電流)で励振される。励振信号に対応して、QFPはA
またはA′の信号を出力する。ここで、Aは入力信号が
正、A′は入力信号が負の場合である。信号を検出する
ためのdc−SQUIDはCに示すパルス電流でバイアスされ
る。即ち、dc−SQUID10のバイアス電流は、QFPのは励振
開始時刻T1では零で時刻T2からT4まで一定の値を保持す
るパルス電流である。この時、該dc−SQUID10は量子磁
束パラメトロンの出力信号に応じてD、D′に示す信号
を出力する。このdc−SQUIDの出力信号は、時刻T2からT
3まではQFPが励振状態にあるため、その出力信号に応じ
たD、D′になる。また、時刻T3からT4まではQFPが非
励振状態であるため、dc−SQUIDの出力信号は直流オフ
セットになる。従って、QFPの出力信号は、dc−SQUIDの
時刻Tbと時刻Tcの出力信号の差とすれば良い。
FIG. 6 is a time chart of signals in the second method for reducing the influence of dc-SQUID in the circuit configuration of FIG.
The excitation state of QFP depends on the input signal at the initial stage of excitation. Therefore, if the bias current of the dc-SQUID 10 is cut off at the time of starting the excitation of the QFP, the effect of the dc-SQUID on the QFP can be practically eliminated. In the time chart of FIG. 6, QFP is excited by the excitation signal (current) shown in B from time T1 to T3. QFP corresponds to the excitation signal
Alternatively, the signal A'is output. Here, A is the case where the input signal is positive and A'is the case where the input signal is negative. The dc-SQUID for detecting the signal is biased with the pulse current shown at C. That is, the bias current of the dc-SQUID 10 is a pulse current that is zero at the excitation start time T1 of the QFP and holds a constant value from the time T2 to the time T4. At this time, the dc-SQUID 10 outputs signals D and D'according to the output signal of the quantum magnetic flux parametron. The output signal of this dc-SQUID is from T2 to T
Up to 3, the QFP is in the excited state, so D and D'depending on the output signal. In addition, since QFP is in the non-excited state from time T3 to T4, the output signal of dc-SQUID becomes a DC offset. Therefore, the output signal of QFP may be the difference between the output signals of time Tb and time Tc of dc-SQUID.

第7図は本発明による第2の実施例である。この実施例
では、QFPの負荷インダクタの一部8′とdc−SQUIDのイ
ンダクタを共通にし、QFPとdc−SQUIDを直結させた構造
をしている。この構造で、第3図または第6図に示した
タイムチャートに示す測定を実行できることは明かであ
る。
FIG. 7 shows a second embodiment according to the present invention. In this embodiment, a part of the load inductor 8'of the QFP and the dc-SQUID inductor are made common, and the QFP and the dc-SQUID are directly connected. Obviously, with this structure, the measurement shown in the time chart shown in FIG. 3 or FIG. 6 can be performed.

第8図は本発明による信号検出回路を動作させる外部回
路の構成例である。第1図、第4図および第5図に示さ
れる様なQFPとSQUIDとの組合せ回路101の出力配線18が
増幅器102の入力側に接続されている。この増幅器102の
出力はサンプルアンドホールド回路104のデータ入力端
子INと演算回路105の一方のデータ入力端子に接続され
る。サンプルアンドホールド回路104のデータ出力は演
算回路105の他方の入力に接続される。組合せ回路101の
QFPは電源100により励振されるが、電源100の信号は、
トリガ信号発生器103に入力され、トリガ信号発生器103
は非励振時例えば、第3図の時刻Taにトリガ信号を発生
する。サンプルアンドホールド回路104はこのトリガ信
号が入力された時点で、新しく増幅器102のデータを取
り込み、その値を保存しかつ出力する。演算回路105は
二つの入力信号の差を端子106に出力する。第8図の構
成であれば、QFP非励時におけるdc−SQUIDの信号をサン
プルアンドホールド回路104が直流オフセット信号とし
て取り込み保存し、かつ演算回路105の減衰として出力
する。QFPが励振された場合は、第3図に示す様に直流
オフセットを除去した信号が端子106に出力される。こ
こで、トリガ信号はQFPが非励振時に周期的に発生され
るために、サンプルアンドホールド回路104の出力信号
(ホールド信号)は励振信号に同期して更新される。
FIG. 8 is a structural example of an external circuit for operating the signal detection circuit according to the present invention. The output wiring 18 of the combined circuit 101 of QFP and SQUID as shown in FIGS. 1, 4, and 5 is connected to the input side of the amplifier 102. The output of the amplifier 102 is connected to the data input terminal IN of the sample and hold circuit 104 and one data input terminal of the arithmetic circuit 105. The data output of the sample and hold circuit 104 is connected to the other input of the arithmetic circuit 105. Of combination circuit 101
The QFP is excited by the power supply 100, but the signal of the power supply 100 is
Input to the trigger signal generator 103, and the trigger signal generator 103
Generates a trigger signal at the time of non-excitation, for example, at time Ta in FIG. When the trigger signal is input, the sample-and-hold circuit 104 newly captures the data of the amplifier 102, stores the value, and outputs it. The arithmetic circuit 105 outputs the difference between the two input signals to the terminal 106. With the configuration of FIG. 8, the sample-and-hold circuit 104 captures and stores the signal of dc-SQUID when the QFP is not excited as a DC offset signal, and outputs it as the attenuation of the arithmetic circuit 105. When the QFP is excited, a signal with the DC offset removed is output to the terminal 106 as shown in FIG. Here, since the trigger signal is periodically generated when the QFP is not excited, the output signal (hold signal) of the sample and hold circuit 104 is updated in synchronization with the excitation signal.

以上の実施例ではdc−SQUIDを使って説明を行ったが、
外にrf−SQUIDを使っても同じ機能を実現できることは
明らかである。第9図はrf−SQUIDを使った本発明の実
施例である。第9図では、QFPの負荷インダクタンス
8′にジョセフソン素子51、インダクタ52、53からなる
超電導ループ50がインダクタ52を介して結合している。
さらに超電導ループ50にはインダクタ54、静電容量55か
らなる共振回路55がインダクタ53、54を介して結合して
いる。共振回路57には高周波電源57により駆動され、共
振回路の信号振幅は端子58、59を介して観測される。rf
−SQUIDの動作はQFPの負荷インイダクタに流れる電流に
より共振回路56の出力信号振幅が変化するものであり、
信号振幅を例えば整流して観測すれば、回路全体の動作
はdc−SQUIDの場合と同様な形になる。
In the above examples, the explanation was made using dc-SQUID,
It is clear that the same function can be realized by using rf-SQUID. FIG. 9 shows an embodiment of the present invention using rf-SQUID. In FIG. 9, a superconducting loop 50 including a Josephson element 51 and inductors 52 and 53 is coupled to the load inductance 8 ′ of the QFP via the inductor 52.
Furthermore, a resonance circuit 55 including an inductor 54 and an electrostatic capacitance 55 is coupled to the superconducting loop 50 via the inductors 53 and 54. The resonant circuit 57 is driven by a high frequency power source 57, and the signal amplitude of the resonant circuit is observed via terminals 58 and 59. rf
-The operation of SQUID is that the output signal amplitude of the resonance circuit 56 changes due to the current flowing in the load inductor of the QFP.
If the signal amplitude is rectified and observed, the operation of the entire circuit is similar to that of the dc-SQUID.

(発明の効果) 以上説明したごとく、本発明を使用すると量子磁束パラ
メトロンに影響を与えず、低雑音で広帯域の信号を検出
する量子磁束パラメトロンの検出回路を提供できる。従
って、本発明によれば、高速かつ高精度の例えば磁気セ
ンサを実現できる。
(Effects of the Invention) As described above, by using the present invention, it is possible to provide a quantum flux parametron detection circuit that detects a wide-band signal with low noise without affecting the quantum flux parametron. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a high-speed and highly accurate magnetic sensor, for example.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の一実施例であり、dc−SQUIDを磁気
結合して用いる場合の回路図、 第2図は、dc−SQUIDのバイアス電流値と発生出力電圧
との関係を示すグラフ、 第3図は、量子磁束パラメトロンの信号をdc−SQUIDで
測定する時の第1の方法におけるタイムチャートを示す
図、 第4図は、第1図の回路構成でdc−SQUIDのQFPへの影響
をさらに減少させる補助的方法が採用された回路図、 第5図は、第1図の回路構成でdc−SQUIDのQFPへの影響
を減少させる更に別の補助的方法が採用された回路図、 第6図は、第1図の回路構成でdc−SQUIDの影響を減少
させる第2の方法における信号のタイムチャートを示す
図、 第7図は、本発明の別の実施例であり、dc−SQUIDを直
接結合して用いる場合の回路図、 第8図は、SQUIDを用いることにより発生するオフセッ
ト電圧を除去する外部回路の構成例を示す回路図、 第9図は、rf−SQUIDを用いる本発明の実施例の回路
図。 1……第1のジョセフソン素子、 2……第2のジョセフソン素子、 3……第1の励振インダクタ、 4……第2の励振インダクタ、 5……超電導ループ、6……励振線、7……入力線、 8、8′……負荷インダクタ、9……励振電流源、 10……dc−SQUID、 11、12……ショセフソン素子、 13、14、15、16……インダクタ、 17……電流源、18……出力配線、100……電源、 101……第1図、第4図または第5図に表わされたQFPと
SQUIDとの組合せからなる回路の回路図、 102……増幅器、103……トリガ信号発生器、 104……サンプルアンドホールド回路、 105……演算回路、106……端子
FIG. 1 is an embodiment of the present invention and is a circuit diagram when magnetically coupling a dc-SQUID, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between the bias current value of the dc-SQUID and the generated output voltage. , FIG. 3 is a diagram showing a time chart in the first method when measuring the signal of the quantum magnetic flux parametron with dc-SQUID, and FIG. 4 is a circuit diagram of FIG. Circuit diagram that adopts an auxiliary method to further reduce the influence, Fig. 5 is a circuit diagram that employs another auxiliary method to reduce the influence of dc-SQUID on QFP in the circuit configuration of Fig. 1. , FIG. 6 is a diagram showing a time chart of signals in the second method for reducing the influence of dc-SQUID in the circuit configuration of FIG. 1, and FIG. 7 is another embodiment of the present invention. -Circuit diagram when SQUID is directly connected, Fig. 8 shows offset generated by using SQUID FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration example of an external circuit for removing a voltage, and FIG. 9 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention using rf-SQUID. 1 ... 1st Josephson element, 2 ... 2nd Josephson element, 3 ... 1st excitation inductor, 4 ... 2nd excitation inductor, 5 ... Superconducting loop, 6 ... Excitation line, 7 ... Input line, 8, 8 '... Load inductor, 9 ... Excitation current source, 10 ... dc-SQUID, 11, 12 ... Schosefson element, 13, 14, 15, 16 ... Inductor, 17 ... ... current source, 18 ... output wiring, 100 ... power supply, 101 ... with the QFP shown in FIG. 1, FIG. 4 or FIG.
Circuit diagram of a circuit that is combined with SQUID, 102 ... Amplifier, 103 ... Trigger signal generator, 104 ... Sample and hold circuit, 105 ... Arithmetic circuit, 106 ... Terminal

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】二つのジョセフソン素子と励振インダクタ
とを含む超電導ループに負荷インダクタを接続した構造
の量子磁束パラメトロンの信号検出を、前記負荷インダ
クタに直接または磁気的に結合した少なくとも一つのジ
ョセフソン素子を含む第2の超電導ループからなるSQUI
Dにより行なう量子磁束パラメトロンの信号検出方法で
あって、 前記SQUIDに常時バイアス電流を供給し、 前記量子磁束パラメトロンが非励振状態にある時の前記
SQUIDの第1の出力信号値を測定し、 前記量子磁束パラメトロンが前記非励振状態の直後の励
振状態にある時の前記SQUIDの第2の出力信号値を測定
し、 前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との差を求
め、 この差により前記量子磁束パラメトロンの信号検出を行
なうことを特徴とする量子磁束パラメトロンの信号検出
方法。
1. At least one Josephson for directly or magnetically coupling the signal detection of a quantum flux parametron having a structure in which a load inductor is connected to a superconducting loop including two Josephson elements and an excitation inductor. SQUI consisting of a second superconducting loop containing elements
A method of detecting a signal of a quantum magnetic flux parametron performed by D, wherein a bias current is always supplied to the SQUID, and the quantum magnetic flux parametron is in a non-excited state.
Measuring a first output signal value of SQUID, measuring a second output signal value of the SQUID when the quantum flux parametron is in an excited state immediately after the non-excited state, A method of detecting a signal of the quantum magnetic flux parametron, wherein a signal from the quantum magnetic flux parametron is detected based on a difference from the second output signal.
【請求項2】二つのジョセフソン素子と励振インダクタ
とを含む超電導ループに負荷インダクタを接続した構造
の量子磁束パラメトロンの信号検出を、前記負荷インダ
クタに直接または磁気的に結合した少なくとも一つのジ
ョセフソン素子を含む第2の超電導ループからなるSQUI
Dにより行なう量子磁束パラメトロンの信号検出方法で
あって、 前記量子磁束パラメトロンが励振状態に至った後に、前
記SQUIDへのバイアス電流の供給を開始し、 前記量子磁束パラメトロンが前記励振状態にあり、前記
SQUIDへのバイアス電流が供給されている時の前記SQUID
の第1の出力信号を測定し、 前記量子磁束パラメトロンが前記励振状態に隣接する非
励振状態にあり、前記SQUIDへのバイアス電流が以前と
して供給されている時の前記SQUIDの第2の出力信号を
測定し、 前記第1の出力信号と前記第2の出力信号との差を求
め、 この差により前記量子磁束パラメトロンの信号検出を行
なうことを特徴とする量子磁束パラメトロンの信号検出
方法。
2. Quantum flux parametron signal detection of a structure in which a load inductor is connected to a superconducting loop including two Josephson elements and an excitation inductor, and at least one Josephson directly or magnetically coupled to the load inductor. SQUI consisting of a second superconducting loop containing elements
A method for detecting a signal of a quantum magnetic flux parametron performed by D, wherein after the quantum magnetic flux parametron reaches an excited state, supply of a bias current to the SQUID is started, and the quantum magnetic flux parametron is in the excited state,
The SQUID when bias current is being supplied to the SQUID
The second output signal of the SQUID when the quantum flux parametron is in a non-excited state adjacent to the excited state and the bias current to the SQUID is still being supplied. Is measured, the difference between the first output signal and the second output signal is obtained, and the signal detection of the quantum magnetic flux parametron is performed based on this difference.
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